[신기술] KIST, 친수성 재료로 지하수 기름오염 확산 억제 입증

투수성 반응벽체 등 오염 확산 방지 시설 설계·운용에 기여 기대

기름 분리, 다공성 매질을 따라 흐르는 조건에서 소수성 보다 친수성이 우수 

일반적으로 물에 포함된 기름을 분리하기 위해서는 기름을 잘 흡착하는 소수성 재료를 주로 사용하고 있다. 바다에 유출된 기름을 제거할 때도 마찬가지로 소수성 재료가 활용되어 왔다. 하지만 최근 국내 연구진이 정밀 관측을 통해 밝혀낸 결과는 기존 방법과는 정반대로, 지하수처럼 다공성 매질을 따라 흐르는 조건에서는 오히려 물분자와 쉽게 결합하는 친수성 표면이 기름을 더 많이 붙잡는 것으로 나타났다.

그림 1. 미세유체실험 모식도 및 미세유체칩 내 공극구조

한국과학기술연구원(원장 오상록, KIST) 물자원순환연구단 이승학·정재식·김상현 박사 연구팀은 미세한 유체 흐름을 정밀하게 관찰할 수 있는 ‘미세유체 시스템’을 이용해 다양한 조건의 다공성 매질 내에서 기름과 물의 상호 작용을 분석했다. 다공성 매질은 일정한 공극 구조(Uniform) 타입과 많은 미세 구멍이 연결된 땅속을 모사한(Random Rock) 타입을 사용했다.

특히 실제 지하수 흐름과 유사한 일정한 압력 차 조건에서 실험을 수행한 결과, 매질이 소수성일 경우 기름이 쉽게 빠져나가는 반면, 친수성 매질에서는 기름이 빠르게 흐르지 못하고 표면에 더 많이 남는 것으로 나타났다. 연구팀은 이러한 관측 결과를 ‘비혼성 대체 해석 모델’로 증명했다.

소수성 재료에서는 물이 기름을 밀어낼 때 접하는 경계면에서의 접촉각이 친수성 매질 대비 크다. 이는 계면에서의 모세관 압력 저감을 줄이는 대신 유체 점성으로 인한 압력 차를 증가시켜, 결국 공극 내 유체의 속도가 빠르게 된다. 이렇게 공극 내 빨라진 물의 흐름에 의해 기름은 더 많이 유출된다.

반면 친수성 재료에서는 동일한 압력 조건에서 상대적으로 낮은 공극 내 유속에 의해 기름이 잘 밀려나지 않고 결과적으로 많은 양이 남게 된다. 

 

그림 2. 공극 내 비혼성 대체 모식도 및 다중규모에서의 흐름·반응 관련 변수들 경향 정리

이번 연구는 단순한 유체거동 분석을 넘어 지하수 내 오염물질의 이동 및 정착 과정에 대한 새로운 해석 틀을 제공한다는 평가를 받는다. 본 연구 결과는 군부대와 주유소 부지 등에서 흔히 발생하는 지하수 내 유류오염을 제어하기 위해 투수성 반응벽체(Permeable Reactive Barrier, PRB)와 같은 오염확산 방지 시설을 효과적으로 설계·운용하는 데 기여할 것으로 기대된다. 

KIST 정재식 박사는 “지하수 정화는 단순한 재료 과학의 문제가 아니라, 유체의 흐름과 계면에서의 반응이 복합적으로 작용하는 대표적인 다중물리현상”이라며 “이번 연구는 지하수 정화뿐 아니라, 석유 회수 증진(EOR), 탄소 포집 및 저장(CCS) 같은 다공성 매질 내 다양한 비혼성 대체 공정에도 적용될 수 있다”고 설명했다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 환경부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 지중환경오염위해관리기술개발사업(RS-2021-KE002011) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 『네이처 포트폴리오 저널 클린워터(npj Clean Water)』 최신 호에 게재됐다.